冲击电压发生器的设计Word文档下载推荐.doc

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额定电压（kV）

标称电容（pF）

外形尺寸（mm）

重量（kg）

适用范围

MY110-0.2

110

200000

瓷壳

249

冲击电压发生器

需满足两个要求：

（1）电压发生器额定电压要求：

（2）冲击电容要求：

21000～31500pF

采用MY110—0.2脉冲电容器，7级串联，此时冲击电压发生器串联放电时，峰值电压约为770kV满足（300～800kV），且冲击电容为200000/7=28571满足（21000～31500pF）

4.回路选择

采用高效回路，单边充电。

图1高效回路

上图中C为型号MY110-0.2脉冲电容器，R为充电电阻，r为保护电阻（同时起均压作用，使电容充电比较均匀），大小取10R，rf为波头电阻，rt为波尾电阻。

回路化简及等效如下图

图2等效回路

充电测量：

毫安表测量充电电流，微安表与大电阻串联测量充电电压。

图3充电回路电参数测量

5.冲击电压发生器主要参数

（1）额定电压U1=7*110=770kV

（2）冲击电容C1=200000/7=28571pF

（3）能量W=1/2*0.028571*10^-6*（770*10^3）^2=8.4699e+003J=8.47kJ

6.波头电阻和波尾电阻计算

假定

（1）试品电容为1000pF

（2）负荷电容为2100pF

则由于

波前时间等效回路：

图4波前时间等效回路：

波头长

得

，

波长时间等效回路

图5波长时间等效回路：

波长时间

得，

7.充电电阻和保护电阻阻值计算及电阻材料的选择

下图为充电回路内部环流，为减小充电回路内部放电回路对冲击电压发生器放电回路的影响，要求R+rf>

10～20rt。

图6充电回路内部RC回路环流

（1）充电电阻R>

20*337.5-27=6723欧姆，取10千欧，结构长度应能承受110kV电压。

由于高效回路发生球隙放电不同步等异常时，电容的能量都将从波头和波尾电阻释放（由于充电电阻R远大于波头波尾电阻），所以一般情况下充电电阻不存在过热的危险，故电阻的制作只需考虑绝缘的问题。

图7无感电阻绕制

采用双股反绕的无感电阻结构，则波尾电阻每股阻值20kohms。

采用电阻率较大的镍铬丝绕制。

线径取0.050mm，截面积0.001964mm2，每米电阻555ohms，则电阻丝长度为20000/555=20.036m。

选外径为80mm，壁厚为3mm的环氧绝缘筒来绕电阻丝。

为使电阻丝承受最大冲击电压时，匝间和表面不放电，根据1mm极板间隙放电电压为1kV，则绝缘筒上来绕电阻丝的槽的直径选为0.1mm。

由绝缘筒截面周长约为250mm。

波前电阻丝所绕圈数20036/250=80圈，故80圈电阻丝之间承受电压110/80=1.375kV/圈，故电阻丝间距必须大于1.375mm，取1.4mm，则绕制波前电阻丝的绝缘筒长度为。

（2）保护电阻r取为40R=400kohms，结构长度应能承受1.1*110=121kV电压。

保护电阻亦不需考虑过热的问题，而只需考虑绝缘问题，采用双股反绕的无感电阻结构，则波尾电阻每股阻值800kohms。

线径取0.020mm，截面积0.000314mm2，每米电阻3470ohms，则电阻丝长度为800000/3470=230.548m。

选外径为300mm，壁厚为5mm的环氧绝缘筒来绕电阻丝。

由绝缘筒截面周长约为942mm。

波前电阻丝所绕圈数230548/942=245圈，故245圈电阻丝之间承受电压为110*1.1/245=0.494kV/圈，故电阻丝间距必须大于0.494mm，取0.5mm，则绕制波前电阻丝的绝缘筒长度为。

8.冲击发生器效率

9.充电时间估算

非高效充电回路可作下列等效处理，由于是整流电压充电故充电时间较直流电压要长，T充=15rnC。

（高效回路应有类似结论，下面直接用此结论）

由等效电路估算，7个110kV电容器串联，90%充电时间约为t=15rnC=15*400*10^3*7*0.2*10^-6=8.4s

10.硅堆选择

短时最大充电电流=

按有效值选硅堆的额定整流电流=

硅堆反峰电压=

选用硅堆：

反峰电压>

231kV，额定整流电流=100mA

查表得型号为“2DL250/0.1浸油”硅堆参数如下

反向工作峰值电压Ur/kV

反向漏电25℃/μA

正向压降/V

平均整流电流If/A

外形尺寸/mm

2DL250/0.1浸油

250

≤10

≤200

0.1

L=800;

D=25;

H=35

故可选用“2DL250/0.1浸油”硅堆。

11.变压器选择

容量计算

电压有效值=

故可选全绝缘变压器：

YD型100kV/10kVA

12.球隙和触发器的选择及球隙放电同步性

球隙：

∅250mm在球隙距离为40mm时放电电压为112kV（略大于110kV），故选取7个直径250mm的铜球。

点火球隙和触发装置：

图8点火球隙和点火发生装置

实际上当第一级球隙放电后，由于球隙间等效电容、充电电容和杂散电容三者分压，以及回路中充电电阻、波前、波尾电阻对电压分布的影响，球隙的电压将比理想值要小，故可能引起放电不同步，为改善球隙放电同步性将冲击电压发生器球隙排在一垂线上，后一级球隙放电可利用前一级放电时产生的紫外线。

13.波头电阻和波尾电阻的计算及选择

已知rf=27.0ohms；

rt=337.5ohms，一级电容器储能为

为保证电阻不至于因发热而烧坏，考虑电容rf、rt上可能消耗的最大能量，从而选择电阻材料（康铜丝）和结构。

名称

主要成分%

电阻率（20℃）

电阻温度系数（℃）

最高工作温度（℃）

平均热容

康铜（8.9g/）

Ni（39-41）

Mn（1-2）

Cu（余量）

0．48

5

500

电阻最高温升为150℃，电阻丝长为L（m），截面积为A（）

（1）试品不放电时，全部能量消耗在rt，即1.21kJ

采用双股反绕的无感电阻结构，则波尾电阻每股阻值2*237.5=475ohms，消耗能量1.21/2=0.605kJ。

冲击放电时间极短，故电阻上消耗能量的过程看作是绝热过程，能量全部转化为电阻温升。

（注：

下式是参照清华大学张仁豫教授的《高电压试验技术》第一版的结论而列写的，其中的系数0.24我也未理解其含义，而且在该书第二版中该系数也被不存在，个人也倾向于第二版的结论，但这里仍按第一版的结论计算）

解得：

L=46.3964m，A=0.0469mm

选择与上述值最接近的电阻丝，线径0.250mm，截面积0.0491，9.78ohms/m，应取长度L=475/9.78=48.57m，可得此时实际温升137℃<

150℃，符合要求。

（2）试品放电时，rt、rf的分流作用导致电容能量的，即0.8979*1.21=1.0865kJ，消耗在rf。

采用双股反绕的无感电阻结构，则波尾电阻每股阻值2*27=54ohms，消耗能量1.0865/2=0.5432kJ。

L=10.4814m，A=0.0932mm2

选择截面积0.0962，线径0.350mm，4.99ohms/m，应取长度L=54/4.99=10.82m，可得此时实际温升141℃<

（3）绝缘筒的选择

波头电阻绝缘筒：

选外径为50mm，壁厚为3mm的环氧绝缘筒来绕电阻丝。

为使电阻丝承受最大冲击电压时，匝间和表面不放电，根据1mm极板间隙放电电压为1kV，则绝缘筒上来绕电阻丝的槽的直径选为1mm。

由绝缘筒截面周长约为157mm。

波前电阻丝所绕圈数10481.4/157=67圈，故67圈电阻丝之间承受电压为110/67=1.6418kV/圈，故电阻丝间距必须大于1.7mm，取1.7mm，则绕制波前电阻丝的绝缘筒长度为。

波尾电阻绝缘筒：

波尾电阻丝所绕圈数46396.4/250=185.6=186，圈绝缘必须大于110/186=0.5914kV/圈，取0.6，故绕制波尾电阻的绝缘筒长度为

14.分压器的选择

（1）采用电容式分压器,考虑到前文中估算负荷电容时将电容分压器的电容估计为600pF,所以电容分压器除考虑分压比外，还需考虑其等效电容值，选用集中式电容分压器。

示波器选择：

SBGM-2.5kV

由于冲击电压峰值约700kV,而示波器输入电压约为2.5kV,故分压比可选择为500:

1，则，即C2=499C1

等效电容为600pF，则

所以，

（2）考虑阻抗匹配

如下图，其中Z为电缆波阻抗，匹配电阻R1、R2大小等于Z。

脉冲波第一次进入电缆线时，波大小为，而示波器可等效为一电容，其电容值很小，故波在此处发生全反射，使末端电压为，而此反射波到达R1时由于R1=Z故不发生反射，这样就实现了阻抗匹配。

图9冲击电压测量装置阻抗匹配

15.容性试品

前文在估算容性试品电容值时，假设了可能选取的最大情况，即互感器1000pF（不考虑整卷电缆线的情况），而充电电容的电容量是按照这个值进行计算的，所以对电容小于1000pF的试品此装置均可满足要求，而实际试验时为满足波形的要求，可补偿一电容器使等效负荷电容为1000pF。

关于该冲击电压发生器的不同试验试品所能达到的电压等级可参看GB311-64。

。

16.冲击电压发生器结构设计

考虑到级数为7为奇数，为保证空间对称性从而杂散参数对称，故采用单柱柱式结构。

图10冲击电压发生器柱式结构

17.测量装置的抗干扰

图11冲击电压发生器各系统位置关系

（1）分压器与试品间为避免相互的电场及电磁场的干扰影响，两者必须相距一定的距离。

（2）测量仪表必须远离高压试区外，同时应放置在屏蔽室或屏蔽箱中使用，而且要采取其他严密的防干扰及反击措施.

（3）为了消除记录仪器与高压试区间的强电场